可轉位銑刀刀槽加工程序的參數化編程

1 引言
我公司引進德國英格索爾刀具生產技術及關鍵設備生產的主導產品——可轉位銑刀在機械、汽車、鐵道等行業得到了廣泛應用。為了提高刀具生產效率，必須縮短數控加工程序的編程周期，提高編程的準確性和可靠性。
可轉位銑刀刀槽加工程序的編制一般可采用兩種方式：一種是在工作站利用CAD/CAM系統自動編程；另一種是人工編程，即由編程人員分析圖紙、確定工藝路線、進行數值計算、編制程序并將程序手工輸入機床數控系統。人工編程雖然比較經濟、方便，但存在以下缺點：①編程時間長，每次編程均需重復上述步驟，需耗費大量時間進行繁瑣的數值計算；②準確性和可靠性不高，編程人員必須進行大量數值計算并手工輸入結果，很難避免計算或輸入錯誤，另外程序需通過試切來驗證其正確性，首件合格率低；③每加工一種產品均需編制相應的刀槽程序，存放大量程序往往造成計算機內存緊張，只能將程序保存在磁盤中，加工時再輸入機床數控系統，這樣既浪費時間，也不便于程序的管理與查找。
為克服人工編程的缺點，我們采用先進的參數化編程方法實現了銑刀刀槽數控加工程序的準確、快捷編制。
2 刀槽加工程序的參數化編程方法
分析刀槽加工程序特點
通過對各種可轉位銑刀產品圖紙、加工程序以及實際加工方式進行大量分析比較，我們發現雖然每種產品各有其特點，但其刀槽具有以下共性：①刀槽的形狀與尺寸是由刀片的形狀與尺寸決定的；②平行四邊形刀片(如矩形、菱形刀片)可由刀片長度l、寬度b、厚度H、兩邊夾角q等參數確定(如圖1所示)；③通過確定四個點的位置可確定一個平行四邊形，即通過確定四個刀位點可確定一個刀槽輪廓；④刀具的切削角度由刀片在刀體上的安裝角度確定，即由刀槽與坐標軸的夾角確定。

圖1

圖2

建立刀槽刀位點數學模型
根據刀槽的共性，可建立刀槽刀位點的數學模型，即利用已知的相關參數通過數學表達式表示出刀槽輪廓四個刀位點的坐標值。只要將不同產品的相應參數值輸入該模型，就能計算出不同刀槽四個刀位點的坐標值。計算方法如下：
建立如圖2所示坐標系，確定四個刀位點。
建立各刀位點(Oi)的坐標值數學模型為
O1點： { X1=(L+M+R-Rtana)cosa
Y1=(L+M+R-Rtana)sina+R/cosa
O2點： { X2=R/sin(q/2)cos(q/2+a)
Y2=R/sin(q/2)sin(q/2+a)
O3點： { X3=(B+N+Rtanb)sinb+R/cosb
Y3=(B+N+Rtanb)cos{b
O4點： { X4=Lcosa+Bsinb
Y4=Lsina+Bcosb
式中：L——刀片L邊長度
M——刀具外徑至刀體安全距離(由操作者設定，防止進刀時碰撞刀體)
R——刀具半徑與單邊余量之和(如使用φ8鍵槽刀，單邊留余量0.15mm，則R=8/2+0.15=4.15mm)
a——圖紙給定刀片軸向前角
b--刀片軸向后角
q——圖紙給定刀片兩邊夾角
B——刀片B邊長度
N——刀具切削點超過刀槽定位面距離(由操作者設定，保證刀片能裝入刀槽)
轉換為機床參數表達式
設：P1=l，P2=b，P3=q，P4=a，P5=b=(90-P3-P4)，P6=L=P1/SIN(P3)，P7=B=P2/SIN(P3)，P8=M，P9=N，P10=H，P11=R。其中，l為圖紙給定的刀片長度，b為圖紙給定的刀片寬度，H為圖紙給定的刀片厚度。則有以下機床參數表達式：
O1點： P101=(P6+P8+P11-P11·TAN(P4))·COS(P4)
P102=(P6+P8+P11-P11·TAN(P4))·SIN(P4)+P11/COS(P4)
O2點： P103=P11/SIN(P3/2)·COS(P3/2+P4)
P104=P11/SIN(P3/2)·SIN(P3/2+P4)
O3點： P105=(P7+P9-P11·TAN(P5))·SIN(P5)+P11/COS(P5)
P106=(P7+P9-P11·TAN(P5))·COS(P5)
O4點： P107=P6·COS(P4)+P7·SIN(P5)
P108=P6·SIN(P4)+P7·COS(P5)

將以上參數表達式輸入機床數控系統的參數菜單中。
參數化編程實例
某銑刀產品的刀槽加工程序如下：
N10 S450 M3 F35
N20 G0*1 XP101 YP102 Z30
N30 G0 Z - P10 M8
N40 G1 XP103 YP104
N50 G1 XP105 YP106
N60 G1 XP107 YP108
N70 GO Z30 M9
N80 M30
首先在產品圖紙上查出銑刀軸向前角a、刀片參數l、b、q、H的數值，然后將這些參數值手工輸入機床數控系統參數菜單的對應項中。機床數控系統會通過內部的平面計算器按照菜單中存儲的各參數表達式計算各點坐標值，并自動賦值給程序中各坐標軸的坐標值，完成程序編制。
3 結語
通過幾年的應用，可轉位銑刀刀槽加工程序的參數化編程方法在實踐中不斷完善與拓展，已廣泛應用于各種可轉位銑刀產品的加工。與傳統的人工編程方法相比，該方法具有以下優點：①編程時間大大縮短。編制一種新產品加工程序，只要該產品符合歸納類型，即可通過輸入已知參數迅速完成編程，對于單件、小批量、多品種的柔性生產方式具有良好的適應性。②編程的準確性和可靠性顯著提高。由于加工方式是根據多年生產實踐優選出來的，且各坐標軸的坐標值由計算機按給定數學關系計算得出并自動賦值，所以只要正確輸入參數，即可保證程序的正確性。③程序安全、穩定、可靠，首件合格率高。
參數化編程方法具有普遍推廣意義，只要能分析歸納出產品的加工方式與編程思路，即可建立其加工模型，從而實現參數化編程。